CN105675995A

CN105675995A - 一种嵌入式多通道自动电阻测量模块

Info

Publication number: CN105675995A
Application number: CN201610068444.8A
Authority: CN
Inventors: 王星; 尹本玉; 张昉
Original assignee: Cama Luoyang Electronics Co Ltd
Current assignee: Cama Luoyang Electronics Co Ltd
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2016-06-15

Abstract

一种嵌入式多通道自动电阻测量模块，采用分压法电阻测量原理完成测量任务，其包括控制电路、测量隔离电路、矩阵切换电路和通信电路。本发明提出的电阻测量模块，采用嵌入式结构设计，可以嵌入测试系统中成为其一种数据采集模块；具有多通道测量功能，既可自动切换通道测量，又可手动切换通道测量；具有程控功能，可根据上位机命令完成自动测量和数据上传功能；具有可编程的测试工作点，能够将被测对象的非线性V_A特性归一化。

Description

一种嵌入式多通道自动电阻测量模块

技术领域

本发明涉及一种嵌入式多通道自动电阻测量模块，主要用于嵌入专用测试设备系统中，成为其一种静态电阻数据采集模块(简称DAQ)，完成自动电阻测量(可变测试工作点)和数据上传功能。

背景技术

在专用测试设备中，测量对象多为电路组件或者模块。通常在测试前，为保证测试时加电的安全性，会对组件或者模块的对外接口进行阻抗测量，以保证在测试过程中，不会发生电源或者信号引脚短路情况，可避免瑕疵产品在系统测试上电时发生电气损坏，也保护测试仪器及设备的安全。

在生产测试过程中，通常有人工使用手持式或台式万用表完成各个接口的电阻测量，并读取和记录测试数据。此种测试方法需要占用测试人员的大量精力，且测量结果的读取和记录均会因疏忽而产生错误。

由此，在专用测试系统中，一种小体积、多通道、能够程控可自动测量并上传测量数据的嵌入式多通道自动电阻测量模块的需求便由此而生。

发明内容

本发明的目的在于提出一种嵌入式多通道自动电阻测量模块，所要解决的技术问题是使其满足体积小、多通道、自动测量、可程控的要求，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术措施来进一步实现。依据本发明提出的一种嵌入式多通道自动电阻测量模块，包括控制电路、测量隔离电路、矩阵切换电路和通信电路，

该控制电路采用ARM处理器作为控制核心，该ARM处理器集成有ADC、SPI、USART和GPIO接口；该ARM处理器通过SPI接口对DAC转换器编程控制，DAC转换器的输出经第一运算放大器构成的电压跟随器隔离后，输出可编程基准源作为被测电阻和标准分压电阻的激励源；

该测量隔离电路连接至被测电阻和标准分压电阻之间的测量点，通过第二运算放大器构成的电压跟随器隔离后，经RC低通滤波器将测量点电压输出至ARM处理器的ADC接口；

该矩阵切换电路包括译码器、驱动器和簧片继电器矩阵，该ARM处理器的GPIO接口输出控制译码器，该译码器控制驱动器，该驱动器输出控制簧片继电器吸合；

该通信电路由ARM处理器的USART接口和电平转换芯片构成，该ARM处理器通过通信电路与上位机连接通信。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术措施来进一步实现。

前述的嵌入式多通道自动电阻测量模块，所述电平转换芯片将ARM处理器的USART接口变换为标准的RS-232通信接口或RS-422通信接口或RS-485通信接口，可进行远程操控，完成自动测量和数据上传功能。

借由上述技术方案，本发明一种嵌入式多通道自动电阻测量模块，采用嵌入式结构设计，可以嵌入测试系统中成为其一种数据采集模块；具有多通道测量功能，既可自动切换通道测量，又可手动切换通道测量；具有程控功能，可根据上位机命令完成自动测量和数据上传功能；具有可编程的测试工作点，能够将被测对象的非线性V_A特性归一化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是分压法电阻测量原理图。

图2是本发明中可编程基准源的原理图。

图3是本发明的测量电路原理图。

图4是本发明的隔离电路原理图。

图5是本发明的矩阵切换电路量程切换的原理图。

图6是本发明的矩阵切换电路接口切换的原理图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种嵌入式多通道自动电阻测量模块其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1，本发明一种嵌入式多通道自动电阻测量模块采用分压法电阻测量原理完成测量任务，其包括控制电路、测量隔离电路、矩阵切换电路和通信电路，为一嵌入式模块，可嵌入测试系统中成为其数据采集模块，完成测量和上传。

a)控制电路采用ARM处理器，负责整个模块的控制、采集和数据通信；译码驱动完成地址译码，并驱动继电器；AD转换器完成测量点电压采集；DAC转换器输出完成可编程基准源的发生；

b)测量隔离电路主要由标准分压电阻和阻抗隔离组成；

c)矩阵切换电路由译码器、簧片继电器矩阵构成，用于信号切换及量程切换；

d)通信电路由可选的RS-232\422\485接口组成，能够完成外部通信功能。

各电路的构成及功能详述如下：

(1)控制电路

该控制电路采用ARM处理器，负责整个模块的控制、采集和数据通信，该ARM处理器上集成有ADC、SPI、USART和GPIO接口。

对于具有非线性V_A特性的元件静态电阻来说，不同的测量点所测量的静态电阻必然会有差异。为适应归一化测试要求，设计可编程基准源V_ref，其电路结构如图2所示，该ARM处理器通过SPI接口对DAC转换器编程控制，DAC转换器的输出经过第一运算放大器构成的电压跟随器隔离后输出可编程基准源V_ref，作为被测电阻R_X和标准分压电阻R_S的激励源。

具体的，该第一运算放大器具有低噪声、低漂移、高驱动能力的特点。控制电路通过对DAC转换器编程控制其输出电压，可以根据需要改变可编程基准源V_ref的电压输出值。

(2)测量隔离电路

该测量隔离电路连接至被测电阻R_X和标准分压电阻R_S之间的测量点，通过第二运算放大器构成的电压跟随器隔离后，经过RC低通滤波器滤波后将测量点电压U_X输出至ARM处理器的ADC接口，由控制电路采集其电压值，将模拟量转换为数字量，传送至上位机显示或处理。

具体的，在测量电路中首先需要量程选择，将可编程基准源V_ref加载至标准分压电阻R_S和被测电阻R_X两端，标准分压电阻R_s由矩阵切换电路切换选择；其次使用第二运算放大器组成电压跟随器完成阻抗隔离，提高测量电路的输入阻抗；最后由AD转换器完成电压测量，测量隔离电路原理图如图3所示。

在高阻值测量时，整个测量回路流过的测试电流将非常小，此时AD转换器的输入阻抗已不可忽略，偏置电流将会引入测试回路而产生测试误差。若用AD转换器直接接入回路测量，则会吸入较大电流，导致测量点U_x的电压下降，根据公式可知测量的R_x阻抗会偏小。阻抗隔离电路提高测试回路的输入阻抗，极大降低了对被测回路影响。

测量隔离电路的实现方法是使用精密、低噪声、低漂移、极高输入阻抗(一般要求能达到10¹³，运放输入偏置电流为几十pA)的第二运算放大器将U_x点做电压跟随。同时在隔离电路的输出极增加RC低通滤波器，滤除噪声干扰，保证AD转换稳定度。隔离电路的原理图如图4所示。

线型AD转换器的测量基准电压和测试回路的激励电压相等，则计算被测电阻阻值的计算公式可简化为：

R_{x} = \frac{R_{s}}{\frac{V_{r e f}}{U_{x}} - 1} = \frac{R_{s}}{\frac{M}{M_{x}} - 1}

上述公式中，R_x为待测阻值；R_s为标准分压电阻阻值；M为AD满量程的数字量(如采用12为AD转化器，M为4096)；M_x为AD采样读数。

(3)矩阵切换电路

矩阵切换电路由译码器、驱动器和簧片继电器矩阵组成，ARM处理器的GPIO接口输出直接控制译码器，对控制信号进行译码；译码器通过达林顿管阵列控制驱动器；再由驱动器输出控制簧片继电器吸合。使用译码器的作用是保证在量程选择或者通道选择时，每次仅有一个通道接入测量回路，保证不会发生信号间短路的现象。

请参阅图5、图6，矩阵切换电路主要完成了量程切换以及接口切换功能。量程切换的作用是将不同阻值的标准分压电阻接入测量回路，产生合适的分压比；接口切换的作用是将各个接口自动切入测量回路进行测量。

在矩阵切换电路A中，由译码器控制量程切换继电器。待ARM处理器接收到量程指令后，将待选量程的继电器闭合，则标准分压电阻接入测量回路。测量极性控制可改变测试输入端的极性，可用来适用有极性要求的测试连接场合。

在矩阵切换电路B中，由译码器控制接口切换继电器。待ARM处理器接收到接口地址指令后，通过译码将待选接口切至测量回路。

(4)通信电路

通信电路由ARM处理器上外设的USART接口和电平转换芯片完成。USART接口的通信逻辑格式满足RS-232\422\485标准，但电平为LVTTL电平，通过电平转换芯片(如MAX232、MAX3076等)将LVTTL电平转换为符合RS-232\422\485标准的电平，即可变换为标准的RS-232\422\485通信接口，实现ARM处理器与上位机的通信，从而实现智能远程操控，完成自动测量和数据上传功能。

本发明一种嵌入式多通道自动电阻测量模块的工作流程如下：

首先将上述各电路连接完成后，将嵌入式软件烧录至控制电路ARM处理器内；

然后由上位机下达握手指令，通知模块开始进入工作状态。模块接收后应答，回复上位机已经启动，进入工作状态；

再然后由上位机下达控制指令，根据通信协议的规定，向模块发送通道号、量程和测量时间信息；

再然后ARM处理器收到指令后，完成以下步骤：将待测通道切换至测量通路；加载对应量程；对中点电压值进行采集；将采集数据存储；通过通信协议将采集数据发送至上位机处理；

最后由上位机得到数据，通过公式将原始数据处理，转换成对应的阻值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种嵌入式多通道自动电阻测量模块，其特征在于：包括控制电路、测量隔离电路、矩阵切换电路和通信电路，

2.根据权利要求1所述的嵌入式多通道自动电阻测量模块，其特征在于：所述电平转换芯片将ARM处理器的USART接口变换为标准的RS-232通信接口或RS-422通信接口或RS-485通信接口。